五轴联动数控机床加工中心基本知识介绍

        几十年来，人们普遍认为五轴数控加工技术是加工连续、平滑、复杂曲面的惟一手段。一旦人们在设计、制造复杂曲面遇到无法解决的难题，就会求助五轴加工技术。早在20世纪60年代，国外航空工业生产中就开始采用五轴数控铣床。目前五轴数控机床的应用仍然局限于航空、航天及其相关工业。

　　五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平的标志。由于其特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以及技术上的复杂性，西方工业发达国家一 直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度，对我国实行禁运。因而，研究五轴数控加工技术对国家科技力量和综合国力的提高有重要意义。 

符合数控机床发展的新方向 

　　近几年国际、国内机床展表明，数控机床正朝着高速度、高精度、复合化的方向发展。复合化的目标是在一台机床上利用一次装夹完成大部分或全部切削加工，以保证工件的位置精度，提高加工效率。国外数控镗铣床、加工中心为适应多面体和曲面零件加工，均采用多轴加工技术，包括五轴联动功能。在加工中心上扩展五轴联动功能，可大大提高加工中心的加工能力，便于系统的进一步集成化。最近国际机床业出现了一个新概念，即万能加工，数控机床既能车削又能进行五轴铣削加工。五轴数控机床在国内外的实际应用表明，其加工效率相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产流水线的投资，大大节约了占地空间和工件在不同制造单元之间的周转运输的时间和花费。

　　发展和推广的难点及阻力何在

　　显然，人们早已认识到五轴数控技术的优越性和重要性。但到目前为止，五轴数控技术的应用仍然局限于少数资金雄厚的部门，并且仍然存在尚未解决的难题。五轴数控技术为何久久未能得以广泛普及？五轴数控加工由于干涉和刀具在加工空间的位姿控制，其数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂得多。目前，五轴数控技术在全球范围 内普遍存在以下问题。 

　　五轴数控编程抽象、操作困难

　　这是每一个传统数控编程人员都深感头疼的问题。三轴机床只有直线坐标轴，而五轴数控机床结构形式多样；同一段NC代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果，但某一种五轴机床的NC代码却不能适用于所有类型的五轴机床。数控编程除了直线运动之外，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。

　　刀具半径补偿困难

　　在五轴联动NC程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却失效了。以圆柱铣刀进行接触成形铣削时，需要对不同直径的刀具编制不同的程序。目前流行的CNC系统均无法完成刀具半径补偿，因为ISO文件中没有提供足够的数据对刀具位置进行重新计算。用户在进行数控加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸，按照正常的处理程序，刀具轨迹应送回CAM系统重新进行计算。从而导致整个加工过程效率十分低下。 

　　对这个问题的最终解决方案，有赖于引入新一代CNC控制系统，该系统能够识别通用格式的工件模型文件(如STEP等)或CAD系统文件。 

　　购置机床需大量投资 

　　以前五轴机床和三轴机床之间的价格悬殊很大。现在，三轴机床附加一个旋转轴基本上就是普通三轴机床的价格，这种机床可以实现多轴机床的功能。同时，五轴机床的价格也仅仅比三轴机床的价格高出30%～50%。 

　　除了机床本身的投资之外，还必须对CAD/CAM系统软件和后置处理器进行升级，使之适应五轴加工的要求；必须对校验程序进行升级，使之能够对整个机床进行仿真处理。

　　国内五轴数控技术发展状况与市场分析 

　　五轴联动数控机床，是电力、船舶、航空航天、高精密仪器等民用工业和军事工业等部门迫切需要的关键加工设备。西方发达国家长期对我国实行禁运。 

　　从1999年开始，在CIMT、CCMT等国际、国内机床展览会上，首先是国内的五轴数控机床产品纷纷亮相，国内五轴数控机床的市场逐渐打开，随后国际机床巨头纷至沓来，五轴数控机床的品种和数量逐年上升：CIM T99、CCMT2000分别推出3台国产五轴联动机床；CIMT2001国际机床展览会上，北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速10000r/min的五轴高速龙门加工中心，北京市机电院的主轴转速15 000r/min 的五轴高速立式加工中心；清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的XNZ63，采用标准Stewart平台结构，可实现六自由度联动；大连机床厂自行研制的串并联机床 DCB—510，其数控系统由清华大学开发，该机床通过并联机构实现X、Y、Z轴直线运动，由串联机构实现A、C轴旋转运动，从而实现五轴联动，其直线快速进给速度可达80m/min。这些机床均已达到国际先进水平，体现出我国机床工业为国防尖端工业发展提供装备的实力又有突破性提高。中国机床工业的发展，利用自己研制的高、精、尖产品参与国际竞争，打破了国际技术垄断，国际机床巨头们不愿失去中国这个大有潜力可挖的市场，于是蜂拥而来，把他们的产品“送上门来”：国外展团共展出五轴加工中心8台、五轴车铣加工中心1台、五轴数控刀具磨床5台。

　　我国数控技术及其设备在各工业部门中的应用整体水平仍然偏低，与工业发达国家相比差距很大。为了实现“十五”规划的发展目标，各部门迫切需要进一步大力发展数控加工技术，亟须配置大量的各类工艺设备，尤其是数控机床设备。对于数控机床设备的主要技术要求是多轴、高速、刚性好、功率大；对坐标数的需求，以三至五轴联动为主。对于关键零件形状复杂的行业，如航空、电力、船舶、模具制造业等，其生产部门对多轴机床要求比例较大，新增五轴数控机床大约占数控机床总数的70%～80%。 

　装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。特别是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”：上世纪末，□□□东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间蝶船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。由此可见，五轴联动数控机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。 现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。所以，每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时，往往转向求助五轴数控系统。由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵，加之NC程序制作较难，使五轴系统难以“平民”化应用。但近年来，随着计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）系统取得了突破性发展，珊星公司等中国多家数控企业，纷纷推出五轴联动数控机床系统，打破了外国的技术封锁，占领了这一战略性产业的至高点，大大降低了其应用成本，从而使中国装备制造业迎来了一个崭新的时代！以信息技术为代表的现代科学的发展对装备制造业注入了强劲的动力，同时也对它提出更强要求，更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级中无可替代的基础作用。作为国民经济增长和技术升级的原动力，以五轴联动为标志的机械装备制造业将伴随着高新技术和新兴产业的发展而共同进步。中国不仅要做世界制造的大国，更要做世界制造强国！预计在不久的将来，随着五轴联动数控机床系统的普及推广，必将为中国成为世界最强国奠定坚实的基础！

　  加工中心一般分为立式加工中心和卧式加工中心，立式加工中心（三轴）最有效的加工面仅为工件的顶面，卧式加工中心借助回转工作台，也只能完成工件的四面加工。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展，五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。如配置上五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适宜象汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。立式五轴加工中心这类加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台回转轴。设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力 矩。 另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。